仿青蛙机器人跳跃之力学分析与轨迹优化

目前,相比传统的轮式机器人,离散性运动的跳跃机器人具有更好的移动性能,得到了广泛的应用.本文从仿生学角度出发,选择具有优秀跳跃性能和合理运动结构的青蛙作为研究对象,建立了平面连杆机构仿青蛙机器人跳跃模型.在该模型的基础上,建立了仿青蛙机器人起跳阶段的运动学和动力学模型,得到了起跳阶段机器人各关节力矩与各关节运动轨迹,质心速度,质心加速度间的关系.结合遗传算法,对机器人在起跳阶段的跳跃轨迹进行了优化.在此基础上,从能量角度出发,对机器人在腾空阶段的跳跃轨迹进行了优化,得到了机器人最佳的跳跃轨迹.结合Matlab仿真分析,验证了方案的正确性和可行性.     

变长度弹性伸缩腿双足机器人动力学与控制

研究了半被动双足机器人的平面稳定行走的控制问题．基于弹簧质点模型，采用拉格朗日方法分别得到双足机器人单支撑阶段与双支撑阶段的动力学方程，对机器人系统的动力学方程求得周期解．应用非线性系统状态反馈线性化理论，在双足机器人的单支撑阶段和双支撑阶段中，通过控制双足机器人的腿长度，实现稳定的周期行走．在理论分析的基础上，对控制算法进行了仿真与研究．结果表明：在周期行走过程中，文中采用的变长度控制算法可以使双足机器人克服外界的干扰，并具有较强的抗干扰性．     

机器人粘弹性手臂的动力学有限元分析

本文用动力学虚功原理建立了一般粘弹性大阻尼结构机器人手臂的动力学有限元模型,该模型是时变的Voterra型微分积分方程。文中还提出了以结构动力学中响应计算的逐步积分法为基础的递推求解方法,从而解决了机器人粘弹性手臂动力学建模和分析的理论难题。     

机器人在轨组装结构的耦合动力学与步态优化

机器人在轨移动组装空间结构是建造大型航天器最有潜力的方式之一,但机器人在结构表面作业时两者存在严重的动力学耦合效应,给空间结构的建造带来了新挑战.针对三分支机器人行走在空间柔性结构上形成的耦合动力学问题,提出一种机器人-结构耦合动力学建模与步态优化方法.首先,基于拉格朗日方程和欧拉-伯努利梁模型建立机器人-结构耦合动力学模型,该模型可用于预测机器人在结构表面行走时的耦合动力学响应.然后,基于耦合动力学方程推导出机器人运动与结构振动的关系,以降低结构振动响应为目标开展了机器人行走步态的优化研究.最后,对机器人不同蠕动步态运动方式下的空间结构动力学响应进行了数值仿真,重点分析了机器人以不同步频、不同步长以及不同抬起高度行走移动时对空间结构动力学响应的影响规律.仿真结果表明,空间结构的动力学响应与机器人的运动方式密切相关.因此在设计行走移动组装机器人的运动步态步频时应避免为空间结构固有频率的两倍,同时在保障机器人组装安全稳定的前提下应尽可能减小运动步长和抬起高度.并且通过对机器人运动步态进行优化调整可以有效抑制空间结构的振动.     

基于辅助起立机器人的人体起立动力学建模与试验研究

设计了一种符合人体起立运动的辅助起立机器人,通过牛顿欧拉方程对人体起立过程动力学进行分析与建模,推导机器人辅助起立、上肢辅助起立和肌力不足下肢辅助起立3种情况下,人体力与力矩平衡方程,依据方程在Simulink中建立仿真模型,并使用传感器系统对起立机器人辅助人体起立过程中力与力矩进行测量分析.结果表明:不论采取何种辅助起立方法,辅助起立机器人都可有效辅助起立,特别是对起立初始阶段辅助效果尤为明显.上肢辅助起立时,既可保持身体平衡与稳定,又可补偿起立时所需力与力矩,在接近完全站立时这种效果尤为明显,仿真模型可预测站立过程的关节力与力矩.肌力不足下肢参与辅助起立时,所提供辅助力有限但也起到一定作用.      

柔性铰柔性杆机器人动力学建模、仿真和控制

本文探究了铰柔性对机器人动力学响应和动力学控制的影响. 首先, 建立由$n$个柔性铰和$n$个柔性杆组成的空间机器人模型, 运用递推拉格朗日动力学方法, 得到柔性机器人系统的刚柔耦合动力学方程. 在动力学建模过程中, 除了考虑杆件的拉伸变形、弯曲变形、扭转变形以及非线性耦合变形对机器人系统动力学行为的影响, 还考虑了铰的柔性对机器人动力学响应和控制的影响. 其中, 柔性铰模型是基于Spong的柔性关节简化模型, 将柔性铰看成线性扭转弹簧, 不仅考虑了铰阻尼的存在, 还考虑了柔性铰的质量效应. 其次, 编写了空间柔性铰柔性杆机器人仿真程序, 研究铰的刚度系数和阻尼系数对系统动力学响应的影响. 研究表明: 随着柔性铰刚度系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动频率变大. 随着柔性铰阻尼系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动幅值的衰减速度变快. 可通过调节柔性铰的刚度和阻尼来减小柔性铰柔性杆机器人的振动, 因此铰阻尼的研究具有重要工程意义. 最后, 研究了铰柔性在机器人系统动力学控制中的影响. 在刚性铰机械臂和柔性铰机械臂完成相同圆周运动时, 通过逆动力学方法求解得到两种情况下的关节驱动力矩. 研究表明: 引入柔性铰会使控制所需的驱动力矩变小, 对机器人控制的影响显著.      

MATHEMATICAL MODELING AND EXPERIMENTAL STUDY ON SIT-TO-STAND PROCESS BASED ON ASSISTIVE STANDING-UP ROBOT

设计了一种符合人体起立运动的辅助起立机器人,通过牛顿欧拉方程对人体起立过程动力学进行分析与建模,推导机器人辅助起立、上肢辅助起立和肌力不足下肢辅助起立3种情况下,人体力与力矩平衡方程,依据方程在Simulink中建立仿真模型,并使用传感器系统对起立机器人辅助人体起立过程中力与力矩进行测量分析.结果表明：不论采取何种辅助起立方法,辅助起立机器人都可有效辅助起立,特别是对起立初始阶段辅助效果尤为明显.上肢辅助起立时,既可保持身体平衡与稳定,又可补偿起立时所需力与力矩,在接近完全站立时这种效果尤为明显,仿真模型可预测站立过程的关节力与力矩.肌力不足下肢参与辅助起立时,所提供辅助力有限但也起到一定作用.     

DYNAMICS MODELING,SIMULATION, AND CONTROL OF ROBOTS WITH FLEXIBLE JOINTS AND FLEXIBLE LINKS$^{\bf 1)}$

本文探究了铰柔性对机器人动力学响应和动力学控制的影响. 首先, 建立由$n$个柔性铰和$n$个柔性杆组成的空间机器人模型, 运用递推拉格朗日动力学方法, 得到柔性机器人系统的刚柔耦合动力学方程. 在动力学建模过程中, 除了考虑杆件的拉伸变形、弯曲变形、扭转变形以及非线性耦合变形对机器人系统动力学行为的影响, 还考虑了铰的柔性对机器人动力学响应和控制的影响. 其中, 柔性铰模型是基于Spong的柔性关节简化模型, 将柔性铰看成线性扭转弹簧, 不仅考虑了铰阻尼的存在, 还考虑了柔性铰的质量效应. 其次, 编写了空间柔性铰柔性杆机器人仿真程序, 研究铰的刚度系数和阻尼系数对系统动力学响应的影响. 研究表明: 随着柔性铰刚度系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动频率变大. 随着柔性铰阻尼系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动幅值的衰减速度变快. 可通过调节柔性铰的刚度和阻尼来减小柔性铰柔性杆机器人的振动, 因此铰阻尼的研究具有重要工程意义. 最后, 研究了铰柔性在机器人系统动力学控制中的影响. 在刚性铰机械臂和柔性铰机械臂完成相同圆周运动时, 通过逆动力学方法求解得到两种情况下的关节驱动力矩. 研究表明: 引入柔性铰会使控制所需的驱动力矩变小, 对机器人控制的影响显著.     

空间机器人双臂捕获卫星力学分析及镇定控制

随着航天技术的发展,空间机器人要求具有对非合作卫星的在轨捕获能力. 双臂空间机器人与单臂空间机器人相比在这方面显然更具有优势. 然而由于太空环境的复杂性,使得空间机器人双臂捕获非合作卫星操作过程的动力学与控制问题表现出下述特点:非完整动力学约束,动量、动量矩与能量传递变化,捕获前后结构开、闭环变拓扑,与闭环接触几何、运动学约束多者共存. 因此空间机器人双臂捕获卫星技术相关动力学与控制问题变得极其复杂. 为此,讨论了双臂空间机器人捕获自旋卫星过程的动力学演化模拟,以及捕获操作后其不稳定闭链混合体系统的镇定控制问题. 首先,利用拉格朗日第二类方程建立了捕获操作前双臂空间机器人的开环系统动力学模型,利用牛顿-欧拉法建立了目标卫星的系统动力学模型;在此基础上基于动量守恒定律、力的传递规律,经过积分与简化处理分析、求解了双臂空间机器人捕获目标卫星后受到的碰撞冲击效应,给出了合适的捕获操作策略. 根据闭链系统的闭环约束几何及运动学关系获得了闭合链约束方程,推导了捕获操作后闭链混合体系统的动力学方程. 最后基于该动力学方程针对捕获操作结束后失稳的闭链混合体系统,设计了镇定运动模糊H_∞ 控制方案. 提出的方案利用模糊逻辑环节克服参数不确定影响,由H_∞ 鲁棒控制项消除逼近误差来保证系统控制精度;通过最小权值范数法分配各臂关节力矩,以保证两臂协同操作. 李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的全局稳定性. 最后通过数值仿真实验模拟、分析了碰撞冲击响应,并验证了上述镇定运动控制方案的有效性.      

鱼形机器人快速转向的运动特性研究

基于C形转向的仿生学研究和简化物理模型,建立了鱼形机器人快速转向的运动学方程,分析体干中线运动步态和鱼体质心的运动规律.计算了转动惯量、驱动力矩和阻力矩,建立C形转向的动力学模型.通过前摆转向的多步态仿真游动实验,解析鱼体柔性段弧长和相对弯曲度对质心轨迹、转动惯量、力矩、转动角位移和最大转动角速度的影响,提出了有效提高鱼形机器人快速转向性能的方法.     

单足机器人周期跳跃控制的虚拟约束方法

 研究单足机器人周期跳跃控制问题．弹簧支撑倒立摆模型可以比较准确地描述动物的跳跃行为，但无控制的自然跳跃抗干扰能力较差，一般采用轨迹跟踪控制方法实现单足机器人周期跳跃．当系统存在比较大的误差时，传统的时间轨迹跟踪控制方法存在明显的不足．引入虚拟约束技术，采用基于空间路径跟踪的控制方法可以克服时间轨迹跟踪的不足．采用点足机器人模型，并通过控制腿伸缩的方式为系统提供动力，将跳跃过程分为地面摆动和腾空飞行两个阶段，并通过起飞和着陆两个事件完成两个阶段之间的转换，整个系统模型属于欠驱动非光滑动力学系统．根据简化的动力学方程获得系统的虚拟约束解析表达式，并采用部分反馈线性化方法结合PD 控制设计系统的控制律．分析了系统的混合零动力学方程，并证明了闭环系统的临界稳定性．仿真结果表明，提出的控制方法可以实现单足机器人的周期跳跃控制，并且对外部干扰具有较强的鲁棒性．     

考虑关节摩擦的空间机器人动力学建模与参数辨识

研究了考虑关节摩擦影响的空间机器人系统的动力学建模与参数辨识问题．采用单向递推组集方法和虚功率原理建立了含有关节摩擦的多体系统动力学方程,推导了关节摩擦对系统动力学方程的贡献,采用基于腕力传感器信号和最小二乘法的辨识方法进行了系统惯性参数的辨识．数值仿真结果验证了数学模型的正确性与辨识方法的有效性．     

Modeling and motion simulation of a three-wheeled mobile robot with front wheel driven and steered taking into account wheels�� slip

The problem of modeling of dynamics of a three-wheeled mobile robot with front wheel driven and steered is analyzed in this paper. Kinematical structure and kinematics of the robot are described. A universal methodology of analytical modeling of robot??s dynamics is applied. This methodology takes into account wheel-ground contact conditions and wheels?? slip. Its essence is the use of a contact model of deformable tire with rigid ground and division of the robot??s dynamics model into parts connected with wheels, including tire model, and with the mobile platform. The tire model used in this paper results from empirical dependencies determined during investigations of car tires. Ground geometry and type are specified in the environment model. Tire-ground interface is characterized by coefficients of friction and rolling resistance. The robot model takes into account the presence of friction in kinematical pairs. The model of servomotors is included as well. The important part of this work is simulation research performed using Matlab/Simulink package. Simulation research includes solving of the forward and inverse dynamics problems as well as the tracking control task. During simulations, the robot was moving on concrete and on a piece of ice. The simulation research enabled verification of the elaborated solutions.     

空间机器人捕获卫星操作基于柔顺装置的无源模糊避撞柔顺控制

讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获非合作卫星过程避免关节受冲击及过载破坏的避撞柔顺控制问题。在关节电机与机械臂之间配置了一种柔顺装置——旋转型串联弹性执行器(RSEA),其作用一是在捕获阶段,通过其内置弹簧的变形来缓冲捕获过程中被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击能量;二是在捕获完成后的镇定运动阶段,结合所设计的避撞柔顺策略来适时开关关节电机以保证关节冲击力矩受限在安全范围。首先,根据拉格朗日法及牛顿-欧拉法分别建立了含柔顺装置空间机器人与目标卫星系统的动力学方程;之后,结合整个系统动量守恒关系、系统运动几何及位置约束关系,建立了捕获操作后两者形成混合体系统的动力学方程。在此基础上,针对捕获操作后不稳定的混合体系统,提出了一种基于无源性理论的避撞柔顺模糊控制方案以实现其镇定控制。最后,通过仿真实验验证了所提避撞柔顺策略的有效性。     

气液两相流压力波传播速度研究

将双流体模型用于绝热无相的管道气液两相流,依据小扰动线化分析原理,导出了压力波波数Ｋ方程通过对不同空隙率下肉体上压力波小随角频率变化的计算,研究了虚拟质量力和狭义相间阻力对压力波波速及其人色散性的影响。对泡状流和弹状流压力波波速的计算结果与前人的测量结果作了比较,两者符合良好。     

双臂空间机器人关节空间的补偿学习控制

在载体位置与姿态均不受控制情况下,结合动量(矩)守恒关系对系统进行了运动学、动力学的分析,得到了漂浮基双臂空间机器人的系统动力学方程.采用PD控制的计算力矩法,得到了系统的闭环动态误差方程,在此基础上设计了针对不确定性的自由漂浮空间机器人的控制方案,提出了一种基于遗传算法的补偿学习控制方法.将补偿学习控制与计算力矩法相结合,利用遗传算法的进化学习消除不确定因素的影响,实现机器人轨迹跟踪的良好控制.     

Dynamics equations of a mobile robot provided with caster wheel

Kinematics and dynamics of a mobile robot, consisting of a platform, two conventional wheels and a crank that controls the motion of a free rolling caster wheel, are analyzed in the paper. Based on several matrix relations of connectivity, the characteristic velocities and accelerations of this non-holonomic mechanical system are derived. Using the principle of virtual work, expressions and graphs for the torques and the powers of the two driving wheels are established. It has been verified the results in the framework of the second-order Lagrange equations with their multipliers. The study of the dynamics problems of the wheeled mobile robots is done mainly to solve successfully the control of the motion of such systems.     

Studies of dynamics of a lightweight wheeled mobile robot during longitudinal motion on soft ground

The paper is concerned with the study of longitudinal motion of a lightweight wheeled mobile robot on soft ground. The study is focused on the influence of the desired longitudinal velocity of a robot on both the longitudinal slip of the wheels and the ratio of wheel-terrain contact angles. Design of the four-wheeled skid-steered robot and research environment are described. Experimental investigations were conducted on a dedicated test stand with dry sand. A dynamics model of the robot-ground system taking into account properties of soft ground is presented. The classical terramechanics models of Bekker and Janosi-Hanamoto are used. Results of simulation research of robot motion and of the analogous experimental investigations are presented. Actual motion parameters of the robot and the values of longitudinal slip ratio of the wheels are determined. The results of simulation and experimental investigations are compared and discussed. A formula to describe front-to-back wheel-terrain contact angle ratio dependency on the desired velocity is proposed.     

A fluid–structure interaction model for stability analysis of shells conveying fluid

In this paper, a fluid–structure interaction model for stability analysis of shells conveying fluid is developed. This model is developed for shells of arbitrary geometry and structure and is based on incompressible potential flow. The boundary element method is applied to model the potential flow. The fluid dynamics model is derived by using an inflow/outflow model along with the impermeability condition at the fluid–shell interface. This model is applied to obtain the flow modes and eigenvalues, which are used for the modal representation of the flow field in the shell. Based on the mode shapes and natural frequencies of the shell obtained from an FEM model, the modal analysis technique is used for structural modeling of the shell. Using the linearized Bernoulli equation for unsteady pressure on the fluid–shell interface in combination with the virtual work principle, the generalized structural forces are obtained in terms of the modal coordinates of the fluid flow and the coupled field equations of the fluid–structure are derived. The obtained model is validated by comparison with results in the literature, and very good agreement is demonstrated. Then, some examples are provided to demonstrate the application of the present model to determining the stability conditions of shells with arbitrary geometries.